Orientador : Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 25/08/2014 / Inclui referências / Área de concentração: Fenômenos de transporte e mecânica dos sólidos / Resumo: O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da parte divergente de motores-foguete
operando no vácuo. Para isto, foram realizadas simulações com o código computacional
Mach2D. Nestas simulações o regime de escoamento simulado foi invíscido, de um fluido
compressível, contínuo, não reativo, termicamente perfeito, bidimensional axissimétrico. Foi
avaliado o efeito da parte divergente das 3 seguintes formas: (1) para uma razão de expansão
fixa e comprimento do divergente fixo (envelope fixo), (2) para uma razão de expansão
variável (com ângulo cônico equivalente variando de 10 a 30°) e comprimento do divergente
fixo e (3) para uma razão de expansão variável e comprimento do divergente livre (foram
simulados 3 comprimentos de tubeira diferentes: 196,08; 215,63 e 235,56 mm). Os dados de
entrada da tubeira foram os mesmos utilizados na validação do código computacional, dados
obtidos de um artigo de uma equipe do Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA (National
Aeronautics and Space Administration): escoamento de ar aquecido com pressão de
estagnação de 17,25 bar, temperatura de estagnação de 833 K, razões de compressão e
expansão de 9,76 e 6,63 respectivamente e ângulos do convergente e divergente de 44,88 e
15,11° respectivamente. Também, foram testados e analisados 7 diferentes geometrias de
divergente de motores-foguete utilizados em espaçomodelos, os motores testados utilizam
pólvora negra como propelente e tubeiras feitas em cerâmica. As razões de expansão
experimentais médias foram de: 1,1; 1,4; 2,0; 2,8; 5,6; 18; 6,4, as primeiras 5 tubeiras são
cônicas, a penúltima é parabólica tipo corneta (padrão do fabricante) e a última é parabólica
tipo sino. Analisando os resultados das simulações, o melhor tipo de geometria para um
envelope fixo é a logarítmica, existe uma razão de expansão que resulta em empuxo ótimo no
vácuo e o ângulo equivalente cônico ótimo é de 20°, e segundo as análises dos motoresfoguete
de espaçomodelos, os gases atingem expansão ótima independente da razão de
expansão utilizada (o erro é de no máximo 2%).
Palavras-chave: Motores-foguete. Espaçomodelos. Efeito do divergente. Dinâmica dos
Fluidos Computacional. Propulsão de foguetes. / Abstract: The objective of this work was the evaluation of the effect of the divergent part of
rocket engines working at the vacuum. For that, numerical simulations were performed using
the Mach2D software. At these simulations, the simulated flow type was inviscid, of
compressible gas, continuum, not reactive, thermally perfect, bidimensional axisymmetric.
The effect was analyzed by 3 different ways: (1) with a fixed expansion ratio and fixed length
(fixed envelope), (2) with a variable expansion ratio (with conical equivalent angle of 10° up
to 30°) and fixed length and (3) with a variable expansion ratio and free length (3 different
length were simulated: 196,08; 215,63 and 235,56 mm). The used data at the nozzle inlet were
the same used at the validation of the numerical code, these data were obtained from an article
of a team of the Jet Propulsion Laboratory (JPL) of NASA (National Aeronautics and Space
Administration): heated atmospheric air flow with a stagnation pressure of 17,25 bar,
stagnation temperature of 833 K, compression and expansion ratios of 9,76 e 6,63
respectively and converging and diverging angles of 44,88 e 15,11° respectively. Other work
performed was to test and analyze 7 different types of divergent geometry used in spacemodel
rocket engines, the tested rocket engines used black powder as propellant and the nozzles
were made in ceramic. The experimental average expansion ratios were: 1,1; 1,4; 2,0; 2,8;
5,6; 18; 6,4, the first 5 nozzles used conical divergent, the penultimate one was parabolic
trumpet type and the last was parabolic bell type. Analyzing the simulation results, the best
geometry type for the fixed envelope was the logaritmic, there is na expansion ratio that
results in an optimal thrust at the vacuum and the equivalent conical angle is 20° and by the
analysis of the rocket engines used in spacemodels, the exaust gases reach optimal expansion
independently of the used expansion ratio (the error is up to 2%).
Keywords: Rocket engines nozzle. Rocket Models; Divergent effect. Computational
Fluid Dynamics. Rocket propulsion.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:dspace.c3sl.ufpr.br:1884/36990 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Moro, Diego Fernando |
| Contributors | Marchi, Carlos Henrique, Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | 97f. : il., grafs., tabs., color., application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFPR, instname:Universidade Federal do Paraná, instacron:UFPR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Disponível em formato digital |
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